Otimização do projeto de um magnésio

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 13436 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Os hidretos metálicos (MH) são conhecidos como um dos grupos de materiais mais adequados para o armazenamento de energia de hidrogênio devido à sua grande capacidade de armazenamento de hidrogênio, baixa pressão operacional e alta segurança. No entanto, sua cinética lenta de absorção de hidrogênio diminui significativamente o desempenho de armazenamento. A remoção de calor mais rápida do armazenamento MH pode desempenhar um papel essencial para aumentar sua taxa de absorção de hidrogênio, resultando em melhor desempenho de armazenamento. Nesse sentido, o presente estudo visa melhorar o desempenho da transferência de calor para impactar positivamente a taxa de absorção de hidrogênio dos sistemas de armazenamento de MH. Uma nova bobina semicilíndrica é projetada e otimizada para armazenamento de hidrogênio e incorporada como um trocador de calor interno com ar como fluido de transferência de calor (HTF). O efeito de novas configurações de trocadores de calor é analisado e comparado com a geometria normal da bobina helicoidal, com base em vários tamanhos de passo. Além disso, os parâmetros operacionais de armazenamento MH e HTF são investigados numericamente para obter valores ótimos. ANSYS Fluent 2020 R2 é utilizado para as simulações numéricas. Os resultados deste estudo demonstram que o desempenho do armazenamento MH é significativamente melhorado usando um trocador de calor de bobina semicilíndrica (SCHE). A duração da absorção de hidrogênio reduz em 59% em comparação com um trocador de calor helicoidal normal. O menor passo da bobina da SCHE leva a uma redução de 61% no tempo de absorção. Em termos de parâmetros operacionais para o armazenamento MH com SCHE, todos os parâmetros selecionados proporcionam uma grande melhoria no processo de absorção de hidrogênio, especialmente a temperatura de entrada do HTF.

Uma mudança de recursos energéticos baseados em combustíveis fósseis para formas renováveis ​​de energia está em andamento em escala global. Como muitas formas de energia renovável fornecem eletricidade de maneira dinâmica, o armazenamento de energia é necessário para equilibrar a carga. O armazenamento de energia à base de hidrogênio está recebendo muita atenção para esse fim, até porque o hidrogênio pode ser empregado como um combustível alternativo 'verde' e meio de armazenamento de energia, devido às suas características e portabilidade1. Além disso, o hidrogênio também oferece maior capacidade de energia por massa em comparação com os combustíveis fósseis2. Existem quatro tipos principais de armazenamento de energia de hidrogênio: gás comprimido, armazenamento subterrâneo, armazenamento líquido e armazenamento sólido. O gás hidrogênio comprimido é o principal tipo usado em veículos movidos a célula de combustível, como ônibus e empilhadeiras. No entanto, esse armazenamento fornece uma baixa densidade volumétrica de hidrogênio (em torno de 0,089 kg/m3) e apresenta preocupações de segurança em relação à alta pressão de operação3. O armazenamento líquido armazenará hidrogênio na forma líquida, com base no processo de conversão com baixa temperatura e pressão ambiente. No entanto, há cerca de 40% de perda de energia durante o processo de liquefação. Além disso, esta técnica também é conhecida pelo maior consumo de energia, além de ser demorada em comparação com a técnica de armazenamento sólido4. O armazenamento sólido é uma opção viável para a economia do hidrogênio que armazena o hidrogênio combinando-o com materiais sólidos por meio da absorção e liberando o hidrogênio por meio da dessorção5. O hidreto metálico (MH) é uma das tecnologias de armazenamento de material sólido que recentemente atraiu um interesse significativo em aplicações de células de combustível por ter uma alta capacidade de hidrogênio, baixa pressão operacional e baixo custo em comparação com o armazenamento líquido, tanto para aplicações estacionárias quanto móveis6, 7. Além disso, os materiais MH também oferecem desempenho seguro como armazenamento eficiente de alto volume8. No entanto, há um problema que limita o desempenho do MH: os reatores MH sofrem de baixa condutividade térmica9, resultando em lenta absorção e dessorção de hidrogênio.

A transferência adequada de calor durante as reações exotérmicas e endotérmicas é a chave para melhorar o desempenho do reator MH. Para o processo de carregamento de hidrogênio, o calor gerado deve ser removido do reator para controlar o fluxo de carregamento de hidrogênio na taxa desejada com a capacidade máxima de armazenamento10. Em contraste, o calor é necessário para melhorar a taxa de liberação de hidrogênio durante o processo de descarga. Para melhorar os desempenhos de transferência de calor e massa, muitos pesquisadores estudaram o projeto e a otimização com base em vários fatores, incluindo parâmetros operacionais, estrutura MH e otimização MH11. A otimização do MH pode ser feita adicionando materiais de alta condutividade térmica, como as espumas metálicas no leito do MH12,13. Por este método, a condutividade térmica efetiva pode ser aumentada de 0,1 até 2 W/mK10. No entanto, a adição de material sólido reduz significativamente a capacidade do reator MH. Para os parâmetros operacionais, melhorias podem ser alcançadas pela otimização das condições iniciais de operação do leito MH e do fluido de transferência de calor (HTF). A estrutura do MH pode ser otimizada pela geometria do reator e pelo arranjo dos designs do trocador de calor14. Em termos de configuração do trocador de calor do reator MH, as abordagens podem ser classificadas em dois tipos. Estes são um trocador de calor interno, que fica embutido no leito de HM, e um trocador de calor externo, como aletas, camisa de resfriamento e banho-maria que cobrem o leito de HM15. Para trocador de calor externo, Kaplan16 analisou o desempenho de um reator MH empregando água de resfriamento como camisa para reduzir a temperatura no interior do reator. Os resultados foram comparados a um reator com 22 aletas circulares e outro reator que resfria por convecção natural. Eles alegaram que ter uma camisa de resfriamento reduziu significativamente a temperatura do MH, resultando em uma melhor taxa de absorção. O estudo numérico do reator MH com camisa de água de Patil e Gopal17 indicou que a pressão de suprimento de hidrogênio e a temperatura do HTF são os principais parâmetros para afetar as taxas de absorção e dessorção de hidrogênio.